Im Idealfall kann das Prozesskühlsystem ohne Kosten arbeiten und gleichzeitig perfekt arbeiten, um den Kunststoffprozess reibungslos und profitabel zu halten. Da es jedoch keine perfekte Welt gibt, besteht die nächstbeste Option darin, eine angemessene Balance zwischen Planungsmethoden und heutiger Systemtechnik zu finden, um den Kühlbedarf des Betriebs kostengünstig zu decken.

Im Folgenden sind die Best Practices im Prozesskühlungsplan und die neuesten Entwicklungen bei Technologien aufgeführt, die für Kunststoffverarbeiter nützlich sind.

Über die Grundlagen hinausgehend

Ob beim Spritzgießen, Blasformen oder Extrudieren, das Ziel der Prozesskühlung ist es, einen durchgängigen und wiederholbaren Prozess zu etablieren. Zu diesem Zweck ist ein rigoroser, faktenbasierter Ansatz erforderlich, um die Kühlanforderungen und die Gesamtziele des Betriebs zu verstehen, z. B. die Notwendigkeit, die Betriebskosten zu senken, die Produktion zu steigern und die Rentabilität pro Teil zu erhöhen.

Bei der Bewertung von Prozesskühlsystemen sind detaillierte Auswertungen unabdingbar, die weit über grundlegende Wärmeübergangsberechnungen und Grundannahmen hinausgehen, wie etwa die Kühlmitteltemperatur als Haupttreiber für Produktivität und Rentabilität.

Die erfolgreiche Planung und Spezifikation eines geeigneten Prozesskühlsystems bedeutet, dass eine gründliche dokumentierte Bewertung der Wärmeübertragungslast, des Drucks und der Durchflussmenge sowie der Kühlmitteltemperaturanforderungen und des Energieverbrauchs erforderlich ist, bevor Geräteentscheidungen getroffen werden. Es erfordert auch ein klares Verständnis mehrerer Variablen im Zusammenhang mit Herstellungsvorgängen, wie z. B. den beteiligten Prozess und die geografische Lage der Fabrik.

Wärmeübertragungslast ermitteln

Der grundlegende Schritt bei der Bestimmung des Prozesskühlmittels besteht darin, die Wärmeübertragungslast zu bestimmen, die zum Kühlen eines gegebenen zu verarbeitenden Harzes erforderlich ist. Der Zweck besteht darin, dem geschmolzenen Harz die richtige Wärmemenge zu entziehen, damit es sich mit einer angemessenen Geschwindigkeit verfestigen kann, wodurch die Möglichkeit eines Teileverzugs und einer hohen Ausschussrate vermieden wird.

Die Wärmeübertragungslast wird teilweise durch die Verwendung grundlegender mathematischer Gleichungen bestimmt, die die Art des verwendeten Kunstharzes und die Gesamtmenge des zu verarbeitenden und abzukühlenden Kunstharzes in einem bestimmten Zeitrahmen berücksichtigen. Dies ist eine grundlegende Gleichung, da verschiedene Arten von Harzen, die in verschiedenen Kunststoffprozessen verwendet werden, unterschiedliche spezifische Wärmewerte und Anfangs- und Endprodukttemperaturen aufweisen:

Q(BTU/h)=C p(BTU/lb-˚F)xΔT(˚F)xṀ(lb/h), vorausgesetzt

• Die typische Anfangstemperatur und Endprodukttemperatur des verwendeten spezifischen Harzes.

• Die durchschnittliche spezifische Wärme (C p), die von der Temperatur abhängt.

• Aufgrund von Änderungen der Verarbeitungstemperatur (Harz ΔT) und des spezifischen Wärmefaktors beträgt der Sicherheitsfaktor 20-25%.

Diese Gleichung berechnet die Wärmemenge, die dem Produkt pro Stunde entzogen werden muss. Spezifische Wärme ist definiert als die Menge an Wärmeabfuhr, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Pfunds Materie um 1 °F zu senken. ΔT repräsentiert die Anfangs- und Endprodukttemperatur und Ṁ repräsentiert den Durchsatz. Teilen Sie das Ergebnis durch 12,000, um einen Koeffizienten für die Tonnage der Wärmeabfuhr zu erhalten. Im Laufe der Jahre wurden für die meisten Harze gute Richtlinien aufgestellt, anhand derer die erforderliche Wärmeübertragungsrate für jede Anwendung schnell abgeschätzt werden kann (siehe Tabelle unten).

Die endgültige Zahl enthält Informationen, die Entscheidungsträger verwenden können, um die Größe von Geräten (z. B. Kaltwassersätzen) basierend auf der Nennkühlleistung (Tonnen) des Geräts zu bestimmen. Die Auswahl von Geräten auf der Grundlage dieser grundlegenden Wärmeübertragungsgleichung allein reicht jedoch nicht aus, um eine ordnungsgemäße Kühlung zu gewährleisten, da andere wichtige Aspekte der Wärmeübertragung, einschließlich Kühlmitteldruck und -strömung, nicht berücksichtigt werden. Beides ist für die Leistungsoptimierung der im Prozess eingesetzten Wärmetauscher (wie Spritzgusswerkzeuge, Blasformen, Kühlwalzen etc.) unabdingbar.

Bestimmen Sie den geeigneten Druck und Durchfluss

Um den geeigneten Druck und die Turbulenz zu bestimmen und die beste Kühlmitteltemperatur zu erreichen, muss der Wärmetauscher zunächst analysiert werden. Die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Strömung durch den Wärmetauscher ist ein wichtiger Teil des Wärmeübertragungsprozesses. Wichtig ist, dass es sich auf die Fähigkeit zur Verkürzung der Zykluszeit, Wiederholbarkeit, Reduzierung von Ausschuss und Verbesserung der Produktqualität auswirkt.

Beim Spritzgießen sollte beispielsweise bei der richtigen Analyse jeder Aspekt jedes Werkzeugs und jeder Werkzeughälfte berücksichtigt werden, einschließlich der Größe des Kühlkanals, der Anzahl der Kühlkreise, der Anzahl der Reihen- oder Parallelkreise und des Abstands der Kühlkanäle. Dabei gilt es, eine möglichst niedrige Kühlmitteltemperatur ΔT durch das Werkzeug zu erreichen. Dies erfordert den richtigen Druck, damit das Kühlmittel die erforderliche Wärme abführen kann, während es von einer Seite der Form zur anderen fließt.

Das Ziel des richtigen Durchflusses und damit der Wärmeübertragung sollte darin bestehen, den Temperaturanstieg (ΔT) des durch die Form strömenden Wassers auf 2 °F oder weniger zu begrenzen. Auf diese Weise kann auch in einem Mehrkavitätenwerkzeug eine gleichmäßige und effektive Kühlung in der gesamten Kavität erfolgen und eine gleichbleibende Teilequalität und -qualität aufrechterhalten werden.

Hohe Turbulenzen sind der Weg, dies zu erreichen. Es ist die Funktion, Wärmeaustauschanforderungen zu analysieren, wie z. B. das Erreichen eines hohen Durchflusses und die Minimierung der für das Kühlmittel erforderlichen Kühllast ΔT, Druckabfall (ΔP) und Pumpendruck. Es kann auch die richtige Pumpenauswahl und die höchstmögliche Kühlwassertemperatur bestimmen.

Da jede Spritzgussform wie bei den meisten anderen Wärmetauschern (wie Blasformen, Kühlwalzen usw.) ein Unikat ist, ist eine genauere Analyse der Wärmeübertragungslast entscheidend.

Gesamtanalyse des Betriebs

Die Arbeitsweise jedes Kunststoffverarbeiters ist ebenfalls einzigartig, daher ist es notwendig, eine technische Bewertung der Ausrüstung und des Prozesses durchzuführen, bevor die beste Konfiguration und Prozesskühlungstechnologie bestimmt wird. Es gibt viele Variablen zu berücksichtigen.

Beispielsweise muss ein typischer Blasformvorgang möglicherweise den gesamten Fabrikprozess auf eine Temperatur abkühlen, während die Spritzgussausrüstung 50 Spritzgussmaschinen aufweisen kann. Jede Form erfordert eine andere Temperatur, Strömung und Druck. Tatsächlich jede Formhälfte. Der Zentralkühler ist manchmal für Blasformvorgänge geeignet, da er Kühlwasser mit einer bestimmten Temperatur bereitstellt. Ein integriertes System, das einen zentralen adiabatischen Kühler in Kombination mit einer maschinenseitigen kombinierten Kühler-Temperiereinheit (TCU) verwendet, eignet sich jedoch am besten für den Spritzgießbetrieb, da es die dringend benötigte präzise Temperaturregelung, hohen Druck und hohe Durchflussmenge für Einzelformen und Halbformen .

Auch andere Faktoren beeinflussen die Wahl der Prozesskühltechnik, wie zum Beispiel der Gesamtwasserverbrauch der Anlage. Einige Fabriken entscheiden sich beispielsweise für geschlossene adiabatische Zentralkühler anstelle von offenen Kühltürmen, um den Wasserverbrauch erheblich zu reduzieren.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Energieverbrauch. Wenn die Anlage den Energieverbrauch senken möchte, kann sie sich für einen isolierten zentralen Flüssigkeitskühler mit maschinenseitigen Kühlern für jeden Prozess entscheiden. Diese Konfiguration kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken, da der adiabatische Kühler Umgebungsluft verwendet, um das Prozesswasser zu kühlen, wenn die Bedingungen dies zulassen, während der maschinenseitige Kühler abgeschaltet wird. Die Möglichkeit dieser "freien Kühlung" hängt von einer Reihe von Variablen ab, einschließlich der geografischen Lage des Kraftwerks und der einzuhaltenden Kühlmitteltemperatur.

Ob Reduzierung des Wasserverbrauchs, Reduzierung des Energieverbrauchs oder andere betriebsbezogene Ziele, die richtige Planungsmethodik bringt die Anlage auf den richtigen Weg, um die geeignete Prozesskühlungslösung auszuwählen.

Auswertetechnologie

Ebenso wichtig wie die Methode der Planung und Auslegung der Anlage ist die Notwendigkeit, die Kühltechnik selbst zu evaluieren, zumal in den letzten Jahren viele Fortschritte entwickelt wurden, um Geräte bereitzustellen, die mehr als nur eine "Berechnungsfunktion" haben.

An der Spitze befinden sich Steuerungen zur Überwachung und Optimierung der Gesamtleistung des Systems sowie einzelner Komponenten wie der Zentralkühler und der maschinenseitige Kühler/TCU.

Der Hauptcontroller des heutigen integrierten Systems ist darauf ausgelegt, das System automatisch zu optimieren und gleichzeitig Daten für jede Kühlsystemkomponente zu überwachen, zu sammeln und auszuwerten. Auch die Steuerungstechnik der einzelnen Systemkomponenten wurde entwickelt. Ein Beispiel ist die Möglichkeit, den Energieverbrauch einzelner Kühler/TCUs zu erfassen und zu überwachen. Auf diese Weise kann der Prozessor die kW-Kosten pro Pfund des für die Prozesskühlung verwendeten Kunststoffs messen und die Kosten berücksichtigen, um den Gewinn zu steigern.

Angemessener Druck und Durchfluss haben auch die kontinuierliche Entwicklung von maschinenseitigen Kühlern gefördert, die mit Hochleistungspumpen ausgestattet sind, um den richtigen Druck und die richtige Turbulenz an verschiedenen Wärmetauschern (Formen, Walzen usw.)

Kontinuierliche Wartung beeinflusst auch die Wahl der Ausrüstung. Ein zentraler adiabatischer Kühler mit geschlossenem Kreislauf unterscheidet sich beispielsweise von einem Kühlturm, der einen Verdampfungsprozess verwendet. Stattdessen pumpt der zentrale adiabatische Kühler das dabei zurückgeführte Wasser zum Rippenrohr-Wärmetauscher und kühlt es mit der umgebenden Luftströmung. Bei hohen Umgebungstemperaturen in einem adiabatischen Raum pulsieren einige Systeme einen feinen Wassernebel in den einströmenden Luftstrom. Der Nebel verdampft sofort und kühlt die Luft, bevor sie auf die Kühlschlange trifft, die das Prozesswasser trägt. Dieser Prozess beseitigt tatsächlich die Verschmutzung des Wärmetauschers und andere wartungsbezogene Probleme, die in offenen Verdunstungskühlsystemen auftreten.

Eine andere Technologie muss an das Geschäftswachstum angepasst werden. Glücklicherweise ermöglicht die Entwicklung eines modularen Prozesskühlsystems, dass der Prozessor leicht erweitert werden kann, wenn zusätzliche Kühlkapazität benötigt wird (statt bisher), wodurch Geld gespart wird.

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